19. Концепция модульного ядра операционной системы.
Модульное ядро — современная, усовершенствованная модификация архитектуры монолитных ядер операционных систем компьютеров.
В отличие от «классических» монолитных ядер, считающихся ныне устаревшими, модульные ядра, как правило, не требуют полной перекомпиляции ядра при изменении состава аппаратного обеспечения компьютера. Вместо этого модульные ядра предоставляют тот или иной механизм подгрузки модулей ядра, поддерживающих то или иное аппаратное обеспечение (например, драйверов). При этом подгрузка модулей может быть как динамической (выполняемой «на лету», без перезагрузки ОС, в работающей системе), так и статической (выполняемой при перезагрузке ОС после переконфигурирования системы на загрузку тех или иных модулей).
Все модули ядра работают в адресном пространстве ядра и могут пользоваться всеми функциями, предоставляемыми ядром. Поэтому модульные ядра продолжают оставаться монолитными.
Модульные ядра удобнее для разработки, чем традиционные монолитные ядра, не поддерживающие динамическую загрузку модулей, так как от разработчика не требуется многократная полная перекомпиляция ядра при работе над какой-либо его подсистемой или драйвером. Выявление, локализация, отладка и устранение ошибок при тестировании также облегчаются.
20. Понятие процесса. Свойства и характеристики процессов.
Процесс — фундаментальное понятие при изучении операционных систем.
Современные компьютеры умеют делать несколько дел одновременно. В многозадачной системе процессор переключается между задачами, выделяя им по немногу времени, причем в каждый отдельный момент процессор может работать только над одной задачей, но переключение между процессами происходит достаточно часто, чтобы у пользователя возникла иллюзия многозадачности. Для упрощения работы с несколькими задачами одновременно было введено понятие процесс.
В общем случае процесс—это некоторая деятельность, связанная с исполнением программы на процессоре.
Основная задача ОС – распределение ресурсов между процессами и потоками.
Процесс, связан с программным кодом исполняемого модуля и рассматривается ОС как заявка на потребление всех видов ресурсов, кроме процессорного времени. Для изоляции процессов друг от друга ОС обеспечивает каждый процесс отдельным виртуальным адресным пространством. Один процесс не может получить прямого доступа к командам и данным другого процесса.
Поток представляет собой процесса, способ распараллеливания вычислений. Поток – последовательность команд, выполняемых процессором.
ОС распределяет процессорное время между потоками. Процессу назначается адресное пространство и набор ресурсов, которые используются всеми его потомками.
Процесс характеризуется некоторую совокупность набора исполняющихся команд, ассоциированных с ним ресурсов (выделенная для исполнения память или адресное пространство, стеки, используемые файлы и устройства ввода-вывода и т. д.) и текущего момента его выполнения (значения регистров, программного счетчика, состояние стека и значения переменных), находящуюся под управлением операционной системы.
Процесс находится под управлением операционной системы, поэтому в нем может выполняться часть кода ее ядра, как в случаях, специально запланированных авторами программы (например, при использовании системных вызовов), так и в непредусмотренных ситуациях (например, при обработке внешних прерываний).
При исполнении программ на центральном процессоре чаще всего различают следующие характерные отдельные состояния:
порождение — подготавливаются условия для первого исполнения на процессоре
активное состояние, или состояние “Счет” — программа исполняется на процессоре
ожидание — программа не исполняется на процессоре по причине занятости какого-либо требуемого ресурса
готовность — программа не исполняется, но для исполнения предоставлены все необходимые в текущий момент ресурсы, кроме центрального процессора
окончание — нормальное или аварийное окончание исполнения программы, после которого процессор и другие ресурсы ей не предоставляются
Процесс находится в каждом из своих допустимых состояний в течение некоторого времени, после чего переходит в какое-то другое допустимое состояние. Состав допустимых состояний, а также допустимые переходы из состояния в состояние обычно задают в форме графа существования процесса, пример которого изображен на рис. 2.1:
Для ОС процесс в такой трактовке рассматривается как объект, в отношении которого требуется обеспечить реализацию каждого из допустимых состояний а также допустимые переходы из состояния в состояние в ответ на события, которые могут явиться причиной таких переходов. Такие события могут инициироваться и самими процессами, которые способны затребовать процессор или какой-либо другой ресурс, необходимый для исполнения программы.
Свойства и классификация процессов.
Процессы определяются рядом временных характеристик. В некоторый момент времени процесс может быть порожден (образован), а через некоторое время закончен. Интервал между этими моментами называют интервалом существования процесса.
В момент порождения последовательность и длительность пребывания процесса в каждом из своих состояний (трасса процесса) в общем случае непредсказуемы. Следовательно, непредсказуема и длительность интервала существования. Однако отдельные виды процессов требуют такого планирования, чтобы гарантировать окончание процесса до наступления некоторого конкретного момента времени. Процессы такого класса называютпроцессами реального времени. В другой класс входят процессы, время существования которых должно быть не более интервала времени допустимой реакции ЭВМ на запросы пользователя. Процессы такого класса называютинтерактивными. Процессы, не вошедшие в эти классы, называютпакетными.
В любой ОС по требованию существующего или существовавшего процесса проводится работа по порождению процессов. Процесс, задающий данное требование, называют порождающим, а создаваемый по требованию —порожденным. Если порожденный процесс на интервале своего существования в свою очередь выдает требование на порождение другого процесса, то он одновременно становится и порождающим.
При управлении процессами важно обеспечить воспроизводимость результатов работы каждого процесса, учитывать и управлять той ситуацией, которая складывалась при развитии процесса. Поэтому часто для оказывается важен не только результат счета, но и каким образом этот результат достигается. С этих позиций ОС сравнивает процессы по динамическим свойствам, используя понятие "трасса"—порядок и длительность пребывания процесса в допустимых состояниях на интервале существования.
Два процесса, которые имеют одинаковый конечный результат обработки одних и тех же исходных данных по одной и той же или даже различным программам на одном и том же или на различных процессорах, называют эквивалентными. Трассы эквивалентных процессов в общем случае не совпадают. Если в каждом из эквивалентных процессов обработка данных происходит по одной и той же программе, но трассы при этом в общем случае не совпадают, то такие процессы называют тождественными. При совпадении трасс у тождественных процессов их называют равными. Во всех остальных случаях процессы всегда различны.
Проблематичность управления процессами заключается в том, что в момент порождения процессов их трассы неизвестны. Кроме того, требуется учитывать, каким образом соотносятся во времени интервалы существования процессов. Если интервалы двух процессов не пересекаются во времени, то такие два процесса называют последовательными друг относительно друга. Если на рассматриваемом интервале времени существуют одновременно два процесса, то они на этом интервале являются параллельными друг относительно друга. Если на рассматриваемом интервале найдется хотя бы одна точка, в которой существует один процесс, но не существует другой, и хотя бы одна точка, в которой оба процесса существуют одновременно, то такие два процесса называют комбинированными.
В операционной системе принято различать процессы не только по времени, но и по месту их развития, т. е. на каком из процессоров исполняется программа процесса. Точкой отсчета принято считать центральный процессор (процессоры), на котором развиваются процессы, называемые программнымиили внутренними. Такое название указывает на возможность существования в системе процессов, называемых внешними. Это процессы, развитие которых происходит под контролем или управлением ОС на процессорах, отличных от центрального. Ими могут быть, например, процессы ввода — вывода, развивающиеся в канале. Деятельность любого пользователя ЭВМ, который в том или ином виде вводит посредством ОС информацию, требуемую для исполнения одной или нескольких программ, можно также рассматривать как внешний процесс.
Программные процессы принято делить на системные и пользовательские. При развитии системного процесса исполняется программа из состава операционной системы. При развитии пользовательского процесса исполняется пользовательская (прикладная) программа.
Процессы независимо от их вида могут быть взаимосвязанными илиизолированными друг от друга. Два процесса являются взаимосвязанными, если между ними поддерживаются с помощью системы управления процессами какого-либо рода связи: функциональные, пространственно-временные, управляющие, информационные и т. д. В противном случае они являются изолированными (точнее - процессами со слабыми связями, так как при отсутствии явных связей они могут быть связаны косвенно и определенным образом влиять на развитие друг друга).
При наличии между процессами управляющей связи устанавливается отношение вида "порождающий—порождаемый", рассмотренное выше. Если два взаимосвязанных процесса при развитии используют совместно некоторые ресурсы, но информационно между собой не связаны, т. е. не обмениваются информацией, то такие процессы называют информационно-независимыми. Связь между такими процессами может быть либо функциональная, либо пространственно-временная. При наличии информационных связей между двумя процессами их называют взаимодействующими, причем схемы, а следовательно, и механизмы установления таких связей могут быть различными. Особенность, во-первых, обусловлена динамикой процессов (т. е. являются ли взаимодействующие процессы последовательными, параллельными или комбинированными); во-вторых, выбранным способом связи (явным, с помощью явного обмена сообщениями между процессами, или неявным, с помощью разделяемых структур данных). Когда необходимо подчеркнуть связь между взаимосвязанными процессами по ресурсам, их называют конкурирующими.
Управление взаимосвязанными процессами в составе ОС основано на контроле и удовлетворении определенных ограничений, которые накладываются на порядок выполнения таких процессов. Данные ограничения определяют виды отношений, которые допустимы между процессами, и составляют в совокупности синхронизирующие правила.
Отношение предшествования. Для двух процессов это отношение означает, что первый процесс должен переходить в активное состояние всегда раньше второго.
Отношение приоритетности. Процесс с приоритетом Р может быть переведен в активное состояние только при соблюдении двух условий: в состоянии готовности к рассматриваемому процессору нет процессов с большим приоритетом; процессор либо свободен, либо используется процессом с меньшим, чем Р, приоритетом.
Отношение взаимного исключения. Здесь два процесса используют обобщенный ресурс. При этом совокупность действий над этим ресурсом в составе одного процесса называют критической областью. Критическая область одного процесса не должна выполняться одновременно с критической областью над этим же ресурсом в составе другого процесса.
Трудность в реализации синхронизирующих правил в составе системы управления процессами обусловлена динамикой процессов, неопределенностью и непредсказуемостью порядка и частотой перехода процессов из состояния в состояние по мере их развития. Причем в отношении каждой совокупности взаимосвязанных процессов приходится решать собственную задачу синхронизации, которая требует определенного порядка выполнения процессов с целью установления требуемого взаимодействия. Помимо рассмотренных в каждой из задач могут использоваться и другие, более сложные виды отношений. Например, отношения "производители—потребители", "читатели—писатели" и т. д., устанавливаемые между взаимодействующими процессами.
Результатом рассмотрения основных свойств процессов явилось упорядочение процессов в одну из возможных классификационных схем, которая приведена на рис. 2.2.
